基于遠程通訊協議的控制器設計

吳維健 劉繼偉 劉俊芳

摘 要：論文設計了一種基于遠程通訊協議的控制器，采用常見的ZigBee協議，具有功耗低、成本低、數據傳輸安全等級高等優點，能夠通過無線網絡實現數據傳輸與信息共享。論文設計的控制器可以實現家庭或生產現場不同設備間的連接，測試表明控制器運行穩定可靠，具有較強的實用價值。

關鍵詞：遠程傳輸；嵌入式系統；ZigBee

一、引言

隨著“中國制造2025”戰略的持續推進，傳統制造業面臨著向智能制造轉型升級的歷史路口。傳統制造業正逐漸向自動化、信息化、智能化轉型升級。自2009年物聯網技術被列為國家“新興戰略性產業”后，我國的無線網絡數據傳輸技術越來越成熟，自動化與信息化的深入融合促使制造效率飛速提升，產品、設備的安全性、穩定性也得到了極大保證。

實現不同設備之間進行數據傳輸與信息交互，是實現智能化的基礎與前提。大量專家學者對此進行了深入研究，并提出了多種行之有效的解決方案，例如呂紅偉等研究了一種基于ZigBee技術設計的無線智能插座系統，該系統以CC2530芯片為核心，并結合GSM技術，實現手機對終端家電設備的遠程控制，該系統具有無線通信、過壓過流保護、實時監測負載的工作狀態（如電壓、電流、用電量），并對用戶用電量進行統計和分析的功能。[1]李妤薇等設計了一種基于ZigBee的遠程機房環境監測系統，該系統以ZigBee技術研究構建一個無線傳感器網絡，實現遠程機房內溫濕度、空調運行狀況、消防煙感、紅外入侵、門禁電磁鎖控制和電源系統等綜合環境監測。[2]王彰云等設計了一種基于ARM嵌入式的智能路燈終端控制系統，運用ZigBee通信技術、傳感器技術、GPRS技術以及ARM嵌入式等技術，實現對城市路燈的智能遠程控制。[3]隨著自動化、智能化、信息化的互相融合，利用無線網絡進行各設備間數據傳輸的方式將會成為工業、家庭等環境下應用最為廣泛的方式。

本文提出了一種基于遠程通訊協議的控制器，其以目前廣泛應用的ZigBee協議為基礎完成遠程數據的傳輸與信息的共享，其具較高的傳輸安全等級，能夠進行無線網絡通訊等。本文設計的基于遠程通訊協議的控制器，能夠極大簡化數據校驗的過程，并具有較高的安全性和穩定性，適用于多種場合。

二、ZigBee協議

ZigBee協議是一種新興的無線通信技術，是由TI公司和Micropelt公司共同推出的。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，是為適用于各種電磁干擾的工業現場，且適應于通信效率非常低、資源受限、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備的通訊而設計的協議， 其主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，它具有以下主要的幾項特性[4]：低功耗、時延短、低成本、網絡建立、網絡容量大、可靠、安全。

實現ZigBee協議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，ZigBee協議中有三種身份：協調者（Coordinator）、路由節點（Rooter）、終端設備（Enddivice）。其中，消息的終端設備是客戶端，協調者和路由節點都是服務器端，路由節點除了不能建立網絡之外，和協調者基本類似，而終端設備是連接到路由節點或協調者。

在ZigBee協議中，ZigBee網絡結構由物理層（PHY層）、網絡層（NWK層） 、應用層（APL層）三部分構成，結構如圖1所示：

三、基于遠程通訊協議的控制器

本文設計的基于遠程通訊協議的控制器以意法半導體公司的STM32F446RE為核心的控制器，其具有Cortex-M4內核，最高主頻可達到180MHz。

嵌入式控制器主要包括以下子系統：

（1）電源子系統。電源子系統主要為STM32F446RE及其他設備提供電源，其能夠將輸入的24V電源轉化為5V電源，并具有隔離功能，能夠有效隔絕外界的電磁干擾；

（2）數字量輸入子系統。該子系統能夠提供工業常見的NPN型24V數字量輸入，并采用高速光耦進行隔離；

（3）數字量輸出子系統。該子系統能夠提供工業常見的PNP型24V數字量輸出，輸出速率達到1MHz，采用Mosfet作為驅動系統，最大驅動電流高達27A，可以直接驅動絕大部分常見的外設；

（4）ZigBee通訊子系統。ZigBee通訊子系統提供SMT與DIP接口，可直接連接TTL接口設備，實現數據穩定可靠的傳輸功能。

論文設計的遠程傳輸的嵌入式控制器PCB電路設計圖如圖2所示：

四、結論

本文設計了一種基于遠程通訊協議的控制器，其使用ZigBee協議，具有能耗低、成本低、網絡容量大等優點，能夠通過無線網絡完成不同設備間的數據通訊與信息共享，并具有較高的安全性和穩定性，適用于多種通訊場合。此外，本文設計的控制器還帶有數字量輸入輸出功能，并具有較大的驅動電流。測試表明，該控制器運行穩定、可靠，能夠滿足用戶需求。

參考文獻：

[1] 呂紅偉，徐文尚，吳明寬. 基于ZigBee技術的無線智能插座設計[J]. 工業控制計算機，2015，1001-182X

[2] 李妤薇.基于ZigBee的遠程機房環境監測系統設計[J].中國新通信，2017， 1673-4866

[3]王彰云.基于ARM嵌入式的智能路燈終端控制系統設計[J].電工技術，2018， 1002-1388

[4] Wang Yuan，Chen Keshan，Xue Chao，Li Hongjian.Design and implementation for ZigBee long-distance wireless data transmission system[IEEE會議論文]. Electronic Measurement & Instruments （ICEMI）， June 15， 2011

（注：天津理工大學中環信息學院大學生創新創業訓練計劃項目資助項目）